大气湍流对小型风力发电机性能的影响.doc

Impact of ambient turbulence on performance of a small wind
Turbine
大气湍流对小型风力发电机性能的影响
关键词：小型风力发电机、湍流、阵风、风能
摘要：用高分辨率风速仪测量出的风速，记录Bergey XL.1风力发电机产生的电能。这两项数据，都会被运用研究。此项研究是关于：环境湍流水平对小型风力发电机发电效能的影响。人们发现，环境湍流强度影响能量的产生，但是在不同风速下，影响是不同的。在低风速下，增大湍流强度可能会增加发电机的能量产生。然而，在靠近发电机的停止风速时，湍流强度提高导致能量产生的下降，这种情况可能会发生在阵风湍流启动停止的事件中。风速变化频率为1Hz条件下，记录的调查结果显示：在风速发生变化和能量产生发生变化之间，存在一个2秒的时差；只持续1秒的瞬时风速变化并不会导致能量产生，但是持续时间较长的风速变化会产生相当可观的能量。
一、 介绍。
即将到来的风产生的湍流，能够对风力发电机输出功率产生显著的影响。在实践中，往往当较小的风力发电机附近存在建筑物、树木或其他障碍物时，这个现象会尤为重要。这种情况下，小型风力发电机的安装可能经历的流入湍流强度的次数比处于一个开放的野外工地时大许多倍。
当前的功率曲线表示，，不考虑湍流对小型发电机能量产生的影响。例如，基于IEC61400-121曲线是风速分级功率测量值的统计平均值，由此丢失了此项数据的方差。[1]这种方法不能正确地考虑湍流不同程度。[2]IEC61400-12-1没有具体限制湍流水平的测量值，由此产生的功率曲线，对于不同湍流程度如何影响发电机功率生产没有提供任何指导。可以认为，特定湍流水平对大型风力发电机组的影响是可控的，而且湍流对小型风力发电机的影响可根据这个或是一个类似的标准测试。这个标准测试就是：在更广泛的湍流水平范围内，建立一个及时可以处理现场湍流影响，并且在风力发电机功率曲线情况下提供有用的信息。
周围湍流和风向变化都会对小型风力发电机产生显著影响。较小的质量和尺寸的小型风力发电机意味着，湍流对小型风力发电机的影响不同于常用规模的发电机。[3]水平增强的湍流可能导致发电机部件上产生较低风能和更大的机械应力。[4]小的尺寸、有风的操作环境、被动偏航系统以及小的涡轮，意味着当涡轮不能自动形成狂风时，他们更可能在偏航状态下运行时。[5]当涡轮受到的风不对称、依赖于一个COS2的相对气流角时，水平轴风力发电机的输出功率下降迅速。[6]高湍流强度是减少涡轮结构疲劳寿命的最重要因素，而且湍流强度会影响发电机停止行为。[7]
由于湍流影响阵风风力的对齐、机翼的性能和停止功率限制，湍流对输出功率的影响更加难以概括。湍流强度更强的风比湍流强度较弱的风拥有更大的力量和风速，因为风速跟功率呈三次方关系。[8]当一个小型发电机在高湍流强度环境下进行测试时，小型风力发电机暂时关闭的原因：多数情况下高阵风速超过限制。[9]Smith 长期在国家可再生能源实验室收集小型风力发电机性能测试结果。小型风力发电机显示，当处于最强和最差湍流水平时，AEP存在9%到32%的差异。大部分风力发电机在最强湍流和最差湍流这两个极端情况下，具有较低的AEP值，尽管有数据（skystream）表现出AEP会随着湍流强度增强而增强的趋势。本次实验研究的目的是：在具有代表性的开放环境中，确定不同湍流程度对具有代表性的小型风力发电机性能的影响。从1千瓦容量的Bergey XL.1水平轴风力发电机上的仪表中，得到的高分辨率（一分钟/一赫兹）数据，并对这个数据进行分析。以此来探究湍流程度对风力发电机输出功率的影响。
二、 方法论
一个Bergey XL.1小型风力发电机被应用这项研究。这个Bergey XL.1风力发电机是逆风，额定容量为1.0千瓦的水平轴风力发电机。它由三个叶片、直径为2.5米的固定式转子直接耦合为变速永磁交流发电机。选择此发电机的原因：其机械性能和操作系统简单；之前的广泛的应用过程中，已经记录了其本身性能和操作性能。Bergey XL.1风力发电机安装在一个直径0.114米、高18米的镀锌钢管倾斜塔上。另外，直径0.152米、高18米的筒斜式塔安装在发电机北方13.4米处，作为一个气象桅杆，以获得轴毂高的的风速。此项研究还用到了NRG 40C 杯风速计和一个R.M. Young 81,000 三维超声风速仪。声波风速计被安装在一个短臂横梁上，使得其测量到，当风从西南方向过来时，转盘下方20厘米的体积。一个NRG 40C和一个NRG 200S风向传感器位于参考桅杆顶端1米以上。用于此项研究的所有NRG 40C风速计，生产于2009年年初的几个月，并由OTECH工程（Davis，CA，USA）进行校准。这些校准实验安装前，都在Guelph大学的风洞中进行测试。另外，安装了传感器用于测量发动机的航偏角和转子速度。Ziter[15]给出了实验设备的详细情况。通过一个电压2180W2.0欧姆动态制动电阻，耗散发电机的电力输出，测量发电机的功率。Seitzler尝试了几种不同的负载电阻，并指出2.0欧姆的负载电阻与Bergey XL.1发电机性能最为匹配。该电池充电控制器的制造商报道了这件事。最重要的的是，恒阻负载不模拟变电器负载。变电器负载是通过充电控制器（用于电池）或逆变器（用于电网连接）应用模拟的。选择这个2.0欧姆的电阻用于模拟发电机的目的操作，这项操作是电池充电系统在高负载下的一部分。此时，保持所有参数，表征电性能降到最低。发电机和气象塔，安装在了一个Oxford郡的农场里。这个地方属于有代表性小型风力发电机的电网上。这个农场的具体地点在加拿大安大略省西南部(43°18’N, 80°33’W)。此处的风多数情况下是从西南方吹来的。低矮的建筑物和树木大多在向东方向100米处。其他的低矮障碍物是一小部分低矮的树木和谷仓。低矮的树木位于西北方向160米处，谷仓位于西南方向200米处。潜在的危险地段是根据IEC61400-12-1标准确定的。[1]明显的障碍物，例如建筑物，是依赖于几何变量等障碍物。大气条件、障碍物和发电机之间的距离以及湍流产生的尾迹，预计会在这些位点之间或者甚至在同一地点显著变化。本研究的目的是探究环境变化的湍流对位于远离障碍物的风力发电机的影响。通过分析排除单个建筑物和附近树木尾流效应的影响，为了得到尽可能普及的结果，杂乱的数据是没有用的。
三、 结果
3.1一分钟数据
图1显示了整体测量XL.1的功率曲线，这个曲线是基于一分钟平均周期的分级和平均值。空气密度的纠正不会受到杂乱数据的干扰。该研究中的发电机，风速4米/秒的速度时启动，并在风速9米/秒时开始停止。请注意，因为常用的是2.0欧姆的电阻，这些功率曲线是不能与制造商的或使用网格连接或电池充电控制器测量的其他功率曲线相比的。

图1 . 测量Bergey XL.1的功率曲线，使用2欧姆的负载电阻，相比之下USD[12]和Clarkson[10]XL.1 的功率曲线也是在2欧姆负载电阻下测量的。
当用于研究的发电机速度高于9米/秒时，能量产生是减少的。发生这种情况被认为是因为添加的机航风速仪和太阳能面板上的尾管（未用于此项研究），这些装置会导致停止现象会更早发生。该ASCE7-98标准湍流强度是空旷野地（C类）地面以上18米处的。整个数据及的平均湍流程度0.173，这表明这是一个具有代表性的开放性空旷野地。从发电机中得到的数据按照湍流强度（风速的标准偏差除以一分钟平均周期的平均风速）被分为三类。湍流强度小于0.14时，是低湍流强度。湍流强度大于0.18时，是高湍流强度。0.14到0.18之前，是中等湍流程度。图2显示了在每个风速仓和湍流范围内，得到的若干观察结果。图3显示了整体功率曲线和分类数据的三条曲线之间的差异百分比。速度4米/秒到7米/秒之间，低湍流强度持续会导致输出功率减少。相应的操作范围，大致是高于启动风速，低于停止开始风速。高湍流强度情况下结果是不一致的，当风速仓中风速段在4米/秒到7米/秒之间时，输出功率增加百分之零到百分之四。这种变化可能是由于在个体风速仓中，高湍流强度的观察结果少于低湍流强度的观察结果。在图3中可以看出，中间的差异几乎是低湍流差异的镜像。这个结果，再次支持了这一观点：这些构成了大部分观察结果。
湍流对发电机停止情况的影响更明显。整个范围的可用数据，图4.显示了三个分类湍流功率曲线和整体湍流功率曲线之间的百分比差异。很明显，低湍流强度导致能量生产的增加，可能是由于间歇停止的降低和发电机速度偏差的降低。但应该注意的是，风速仓之间的显著变化可能是因为，在较高风速下每个风速仓的观察结果较少。

图2.湍流水平和风速仓的编号

图3.分类和整体功率曲线之间的百分比差异。
当即时风速高于启动风速时，应注意到湍流的一些影响。当风速接近于发电机的停止风速时，湍流的影响更明显，而且阵风会引起间歇停止，从而有显著的速度偏差和轴方位偏离，降低发电。
3.2第二个数据：瞬时效应
从发电机1秒的数据，可以直接观察到风速变化对发电机的影响。图5.显示了100秒产生的能源以及相应的风速。注意：用于风速测量的声波风速计位于转子盘下方。一个先进的研究[15]发现这个风速的大小要高于基准风速，然而两个风速仪之间湍流水平和参考风速是一致的。声波风速计是由发电机转子产生比基准风速更近的指使。这个风速计与发电机的水平距离为13米。很显然，发电机产生能量与风驱动转子盘之间存在一个1到2秒的延迟。

图4.分类和整体功率曲线的差异

图5.例子：1秒超生风速仪风速测量，并通过两端的电压测量发电机能量产生。
然而，变化比率和风速扰动持续时间似乎影响了这个现象。图5中的圈圈，显示了1秒持续时间的短暂阵风是看不出发电机能量产生的。然而，随着持续较长时间的风速变化，可以产生相当可观的能量，只是存在一个1到2秒的延时。
四、 讨论
图1.显示的是加州大学Davis分校的发电机，这个发电机被安装在一个9米高的桅杆上，这个桅杆位于一座三层建筑屋顶。其中还包含一个阁楼和其他屋顶基础设施。这个建筑物位于校园中，周围有其他建筑物和树木。可以预计，在这项研究中该发电机将经历比Clarkson发电机更高的湍流强度。考虑到这点，更有趣的是，加州大学Davis分校的发电机似乎有一个较低的启动风速（约3米/秒）。而我们自己的发电机启动风速为4米/秒，Clarkson发电机的启动风速为5米/秒。非常高的湍流水平导致了整体性能的下降。应当指出，在使用湍流的一个单一强度值时存在固有的局限性，因为风速变化有唯一标准，单一标准结合所有湍流规模使用。据观察，湍流的影响依赖于湍流时间尺度：由于惯性，发电机难以对短时间的湍流做出相应变化。这可能到时输出功率的减少。然而，这发电机可以跟踪长时间的阵风，当数据平均之后，预计会导致整体性能更好。因为非线性发电机对风速有响应。应用产生于同一水平的湍流环境的功率曲线对应不同湍流环境，是很可能在动力输出位点的特异性预测中，引入显著的错误。本研究结果表明，小型风力发电机的性能包括附加湍流信息，可能的结果是更准确的表征水轮机性能。本项研究中，由于环境湍流强度的变化而发生的发电机输出功率的变化，是百分之几的量级。然而，已经在文献中声明，不同发电机相应不同程度的湍流，而且方式不同。基于其他模型的性能，一个新小型风力发电机模型的湍流特性是不容易预测的，报告中小型风力发电机性能测试是在湍流分类下进行的。做到这一点的方法之一是将几个功率曲线包括其中，每个曲线都是从一系列湍流强度范围内测量到的值。也应报告每个功率曲线和相应数据的信息。除了基于所有湍流水平的整体功率曲线，这些湍流分类功率曲线也应被报告。分类水平可以通过分级所测的数据大小相等的仓中导出，或TI值的测定范围应该被包括在报告要求中。有一些需要优先报告，额外报告这一做法目前在61400-12-1标准：附录包括评估电池充电的小型风力发电机系统的建议。评估电池充电的小型风力发电系统，以便报告此系统在几个电池充电状态的一些性能数据以及有关电池系统的相关技术信息。基于湍流强度的一个类似方法，可能在小型特定发电机性能方面，提供一些有用信息。而且此方法不会增加实际发电机测量活动的复杂性。
五、 结论
小型发电机组的测量数据显示，湍流对配置机械收拢系统的小型固定螺距风力发电机有一系列的影响。具体而言：
当风速处于启动和停止速度之间时，湍流水平对整体输出功率有一个小的但显著的影响。在操作范围（4m/s到7m/s）内，对比正常湍流水平，低湍流（TI〈0.14）的输出功率会下降百分之二。相反，在此范围内，中等和高湍流强度对应的功率会增加百分之二。
当风速与停止相关时，低湍流水平导致了输出功率的增加。可能是因为存在较少的阵风风速存在导致停止的延迟性。
发电机产生能量的时间会落后风速变化的时间1到2秒。当风速变化持续时间较长时，可以追踪发现产生可观的能源。而约一秒的风速变化，不会追踪到能源的产生。这里得到的结果与其他研究湍流对小型风力发电机影响的研究得到的结果，大致一样。小型风力发电机与湍流的互相作用是复杂的，而且取决于涡轮的特性。建议未来关于测试小型风力发电机的测试标准，应该包括不同湍流条件下观察范围内发电机的性能。
致谢
感谢为本次研究提供设备的加拿大创新基金（CFI）和加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）。
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